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Categoría: FibrasLas fibras de carbono o fibras de carbono (alternativamente CF, fibra de grafito o fibra de grafito) son fibras de entre 5 y 10 micrómetros (0,00020-0,00039 pulgadas) de diámetro y compuestas principalmente de átomos de carbono . [1] Las fibras de carbono tienen varias ventajas que incluyen alta rigidez, alta resistencia a la tracción, bajo peso, alta resistencia química, tolerancia a altas temperaturas y baja expansión térmica. [1] Estas propiedades han hecho que la fibra de carbono sea muy popular en la industria aeroespacial, la ingeniería civil, el ejército y los deportes de motor, junto con otros deportes de competición. Sin embargo, son relativamente caros en comparación con fibras similares, como fibras de vidrio o fibras de plástico. [1]
Para producir una fibra de carbono, los átomos de carbono se unen en cristales que están más o menos alineados en paralelo al eje largo de la fibra, ya que la alineación del cristal le da a la fibra una relación de alta resistencia a volumen (en otras palabras, es fuerte por su tamaño). Varios miles de fibras de carbono se agrupan para formar una estopa , que puede usarse sola o tejida en una tela.
Las fibras de carbono generalmente se combinan con otros materiales para formar un compuesto . Cuando se impregna con una resina plástica y se hornea , forma un polímero reforzado con fibra de carbono (a menudo denominado fibra de carbono) que tiene una relación resistencia / peso muy alta y es extremadamente rígido aunque algo quebradizo. Las fibras de carbono también se combinan con otros materiales, como el grafito , para formar compuestos de carbono-carbono reforzados , que tienen una tolerancia al calor muy alta.
Historia [ editar ]
En 1860, Joseph Swan produjo fibras de carbono por primera vez, para su uso en bombillas. [2] En 1879, Thomas Edison horneó hilos de algodón o astillas de bambú a altas temperaturas, carbonizándolos en un filamento de fibra de carbono utilizado en una de las primeras bombillas incandescentes que se calentó con electricidad. [3] En 1880, Lewis Latimer desarrolló un filamento de alambre de carbono confiable para la bombilla incandescente, calentada por electricidad. [4]
En 1958, Roger Bacon creó fibras de carbono de alto rendimiento en el Centro Técnico de Union Carbide Parma ubicado en las afueras de Cleveland , Ohio . [5] Esas fibras se fabricaron calentando hebras de rayón hasta que se carbonizaron . Este proceso demostró ser ineficaz, ya que las fibras resultantes contenían solo aproximadamente un 20% de carbono y tenían propiedades de baja resistencia y rigidez. A principios de la década de 1960, el Dr. Akio Shindo, de la Agencia de Ciencia y Tecnología Industrial de Japón, desarrolló un proceso utilizando poliacrilonitrilo.(PAN) como materia prima. Esto había producido una fibra de carbono que contenía aproximadamente un 55% de carbono. En 1960, Richard Millington de HI Thompson Fiberglas Co. desarrolló un proceso (Patente de Estados Unidos No. 3.294.489) para producir una fibra de alto contenido de carbono (99%) utilizando rayón como precursor. Estas fibras de carbono tenían suficiente resistencia (módulo de elasticidad y resistencia a la tracción) para ser utilizadas como refuerzo para materiales compuestos que tienen propiedades de alta resistencia al peso y para aplicaciones resistentes a altas temperaturas.
La alta resistencia potencial de la fibra de carbono se realizó en 1963 en un proceso desarrollado por W. Watt, LN Phillips y W. Johnson en el Royal Aircraft Establishment en Farnborough, Hampshire . El proceso fue patentado por el Ministerio de Defensa del Reino Unido , y luego autorizado por la Corporación Nacional Británica de Desarrollo de la Investigación a tres empresas: Rolls-Royce , que ya fabricaban fibra de carbono; Morganita; y Courtaulds . En unos pocos años, después del uso exitoso en 1968 de un ensamblaje de ventilador de fibra de carbono Hyfil en los motores a reacción Rolls-Royce Conway de la Vickers VC10 , [6]Rolls-Royce aprovechó las propiedades del nuevo material para irrumpir en el mercado estadounidense con su motor aeronáutico RB-211 con palas de compresor de fibra de carbono. Desafortunadamente, las hojas resultaron vulnerables a los daños causados por el impacto de las aves . Este y otros problemas causaron a Rolls-Royce tales contratiempos que la empresa fue nacionalizada en 1971. La planta de producción de fibra de carbono se vendió para formar Bristol Composite Materials Engineering Ltd [7] (a menudo denominada Bristol Composites).
A finales de la década de 1960, los japoneses tomaron la iniciativa en la fabricación de fibras de carbono a base de PAN. Un acuerdo de tecnología conjunta de 1970 permitió a Union Carbide fabricar el producto Toray Industries de Japón . Morganite decidió que la producción de fibra de carbono era periférica a su negocio principal, dejando a Courtaulds como el único gran fabricante del Reino Unido. El proceso inorgánico a base de agua de Courtelle hizo que el producto fuera susceptible a impurezas que no afectaron el proceso orgánico utilizado por otros fabricantes de fibra de carbono, lo que llevó a Courtaulds a dejar de producir fibra de carbono en 1991.
Durante la década de 1960, el trabajo experimental para encontrar materias primas alternativas llevó a la introducción de fibras de carbono hechas de una brea de petróleo derivada del procesamiento del aceite. Estas fibras contenían aproximadamente un 85% de carbono y tenían una excelente resistencia a la flexión. Además, durante este período, el gobierno japonés apoyó fuertemente el desarrollo de la fibra de carbono en el país y varias empresas japonesas como Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon y Mitsubishi comenzaron su propio desarrollo y producción. Desde finales de la década de 1970, entraron en el mercado mundial más tipos de hilo de fibra de carbono, que ofrecen una mayor resistencia a la tracción y un mayor módulo de elasticidad. Por ejemplo, T400 de Toray con una resistencia a la tracción de 4.000 MPay M40, un módulo de 400 GPa. Se desarrollaron fibras de carbono intermedias, como la IM 600 de Toho Rayon con hasta 6.000 MPa. Las fibras de carbono de Toray, Celanese y Akzo encontraron su camino hacia la aplicación aeroespacial desde las partes secundarias hasta las primarias, primero en aviones militares y luego en aviones civiles, como en los aviones McDonnell Douglas, Boeing, Airbus y United Aircraft Corporation . En 1988, el Dr. Jacob Lahijani inventó el módulo de Young ultra alto equilibrado (superior a 100 Mpsi) y la fibra de carbono de paso de alta resistencia a la tracción (superior a 500 kpsi) que se utilizan ampliamente en aplicaciones automotrices y aeroespaciales. En marzo de 2006, la patente fue asignada a la Fundación de Investigación de la Universidad de Tennessee. [8]
Estructura y propiedades [ editar ]
La fibra de carbono se suministra con frecuencia en forma de una estopa continua enrollada en un carrete. La estopa es un haz de miles de filamentos de carbono individuales continuos que se mantienen unidos y protegidos por un recubrimiento orgánico, o un tamaño, como el óxido de polietileno (PEO) o el alcohol polivinílico (PVA). La estopa se puede desenrollar convenientemente del carrete para su uso. Cada filamento de carbono de la estopa es un cilindro continuo con un diámetro de 5 a 10 micrómetros y está formado casi exclusivamente por carbono . La primera generación (por ejemplo, T300, HTA y AS4) tenía diámetros de 16 a 22 micrómetros . [9] Las fibras posteriores (por ejemplo, IM6 o IM600) tienen diámetros de aproximadamente 5 micrómetros. [9]
La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito , que consiste en láminas de átomos de carbono dispuestas en un patrón hexagonal regular ( láminas de grafeno ), la diferencia está en la forma en que estas láminas se entrelazan. El grafito es un material cristalino en el que las hojas se apilan paralelas entre sí de forma regular. Las fuerzas intermoleculares entre las hojas son fuerzas de Van der Waals relativamente débiles , lo que le da al grafito sus características suaves y quebradizas.
Dependiendo del precursor para fabricar la fibra, la fibra de carbono puede ser turboestrática o grafítica, o tener una estructura híbrida con partes tanto grafíticas como turboestraticas presentes. En la fibra de carbono turboestrático, las láminas de átomos de carbono están dobladas o arrugadas al azar. Las fibras de carbono derivadas de poliacrilonitrilo (PAN) son turboestraticas, mientras que las fibras de carbono derivadas de brea mesofásica son grafíticas después de un tratamiento térmico a temperaturas superiores a 2200 ° C. Las fibras de carbono turbostrático tienden a tener una alta resistencia a la tracción máxima , mientras que las fibras de carbono derivadas de brea de mesofase tratadas térmicamente tienen un alto módulo de Young (es decir, alta rigidez o resistencia a la extensión bajo carga) y alta conductividad térmica..
Aplicaciones [ editar ]
En 2012, la demanda mundial estimada para el mercado de fibra de carbono fue de $ 1,7 mil millones con un crecimiento anual estimado del 10% al 12% entre 2012 y 2018. [10] La mayor demanda de fibra de carbono proviene de la industria aeronáutica y aeroespacial, la energía eólica y la industria automotriz con sistemas de resina optimizados. [11] [12]
La fibra de carbono puede tener un costo más alto que otros materiales, lo que ha sido uno de los factores limitantes de adopción. En una comparación entre el acero y los materiales de fibra de carbono para materiales de automoción , la fibra de carbono puede ser entre 10 y 12 veces más cara. Sin embargo, esta prima de costo se ha reducido durante la última década desde las estimaciones de 35 veces más caro que el acero a principios de la década de 2000. [13]
Materiales compuestos [ editar ]
La fibra de carbono se utiliza principalmente para reforzar materiales compuestos , particularmente la clase de materiales conocidos como fibra de carbono o polímeros reforzados con grafito . También se pueden utilizar materiales no poliméricos como matriz para fibras de carbono. Debido a la formación de carburos metálicos y las consideraciones de corrosión , el carbono ha tenido un éxito limitado en aplicaciones de compuestos de matriz metálica . El carbono-carbono reforzado (RCC) consiste en grafito reforzado con fibra de carbono y se utiliza estructuralmente en aplicaciones de alta temperatura. La fibra también encuentra uso en la filtración de gases de alta temperatura, como un electrodo con alta superficie e impecable.resistencia a la corrosión y como componente antiestático . Moldear una capa delgada de fibras de carbono mejora significativamente la resistencia al fuego de polímeros o compuestos termoendurecibles porque una capa densa y compacta de fibras de carbono refleja el calor de manera eficiente. [14]
El uso cada vez mayor de compuestos de fibra de carbono está desplazando al aluminio de las aplicaciones aeroespaciales a favor de otros metales debido a problemas de corrosión galvánica. [15] [16]
La fibra de carbono se puede utilizar como aditivo para el asfalto para hacer hormigón asfáltico conductor de electricidad. [17] El uso de este material compuesto en la infraestructura de transporte, especialmente para el pavimento del aeropuerto, disminuye algunos problemas de mantenimiento invernal que llevaron a la cancelación o retraso del vuelo debido a la presencia de hielo y nieve. Al pasar la corriente a través de la red 3D de material compuesto de fibras de carbono, se disipa la energía térmica que aumenta la temperatura de la superficie del asfalto, que es capaz de derretir el hielo y la nieve sobre él. [18]
Textiles [ editar ]
Los precursores de las fibras de carbono son el poliacrilonitrilo (PAN), el rayón y la brea . Los hilos de filamentos de fibra de carbono se utilizan en varias técnicas de procesamiento: los usos directos son para preimpregnado, bobinado de filamentos, pultrusión, tejido, trenzado, etc. El hilo de fibra de carbono se clasifica según la densidad lineal (peso por unidad de longitud; es decir, 1 g / 1000 m = 1 tex ) o por número de filamentos por número de hilo, en miles. Por ejemplo, 200 tex por 3.000 filamentos de fibra de carbono es tres veces más resistente que un hilo de 1.000 filamentos de carbono, pero también es tres veces más pesado. Este hilo se puede utilizar para tejer una tela o tela de filamentos de fibra de carbono.. El aspecto de este tejido depende generalmente de la densidad lineal del hilo y del tejido elegido. Algunos tipos de tejido de uso común son sarga , satén y liso . Los hilos de filamentos de carbono también se pueden tejer o trenzar .
Microelectrodos [ editar ]
Las fibras de carbono se utilizan para la fabricación de microelectrodos de fibra de carbono . En esta aplicación, normalmente se sella una sola fibra de carbono con un diámetro de 5-7 μm en un capilar de vidrio. [19] En la punta, el capilar se sella con epoxi y se pule para hacer un microelectrodo de disco de fibra de carbono o la fibra se corta a una longitud de 75-150 μm para hacer un electrodo cilíndrico de fibra de carbono. Los microelectrodos de fibra de carbono se utilizan en amperometría o voltamperometría cíclica de barrido rápido para la detección de señales bioquímicas.
Calefacción flexible [ editar ]
Conocidas por su conductividad, o la falta de ella, las fibras de carbono pueden transportar por sí mismas corrientes muy bajas. Cuando se tejen en telas más grandes, se pueden usar para proporcionar calefacción por infrarrojos de manera confiable en aplicaciones que requieren elementos calefactores flexibles y pueden soportar fácilmente temperaturas superiores a los 100 ° C debido a sus propiedades físicas. Se pueden ver muchos ejemplos de este tipo de aplicación en prendas de vestir y mantas calentadas por bricolaje . Debido a su inercia química, se puede utilizar de forma relativamente segura entre la mayoría de tejidos y materiales; sin embargo, los cortocircuitos causados por el material que se pliega sobre sí mismo conducirán a una mayor producción de calor y pueden provocar un incendio.
Síntesis [ editar ]
- Polimerización de acrilonitrilo a PAN,
- Ciclación durante el proceso de baja temperatura,
- Tratamiento oxidativo a alta temperatura de la carbonización (se elimina el hidrógeno). Después de este proceso de grafitización comienza donde se elimina el nitrógeno y las cadenas se unen en planos de grafito.
Cada filamento de carbono se produce a partir de un polímero como poliacrilonitrilo (PAN), rayón o brea de petróleo . Todos estos polímeros se conocen como precursores . Para los polímeros sintéticos como el PAN o el rayón, el precursor primero se hila en hilos de filamentos, utilizando procesos químicos y mecánicos para alinear inicialmente las moléculas del polímero de una manera que mejore las propiedades físicas finales de la fibra de carbono completa. Las composiciones precursoras y los procesos mecánicos utilizados durante el hilado de hilos de filamentos pueden variar entre los fabricantes. Después de estirar o hilar, los hilos de filamento de polímero se calientan para expulsar los átomos que no son de carbono ( carbonización), produciendo la fibra de carbono final. Los hilos de filamentos de fibras de carbono se pueden tratar adicionalmente para mejorar las cualidades de manipulación y luego se pueden enrollar en bobinas . [20]
Un método común de fabricación consiste en calentar los filamentos de PAN hilados a aproximadamente 300 ° C en aire, lo que rompe muchos de los enlaces de hidrógeno y oxida el material. El oxidado PAN se coloca entonces en un horno que tiene una atmósfera inerte de un gas tal como argón , y se calienta a aproximadamente 2.000 ° C, lo que induce la grafitización del material, el cambio de la estructura de enlace molecular. Cuando se calientan en las condiciones correctas, estas cadenas se unen de lado a lado (polímeros en escalera), formando láminas de grafeno estrechas que eventualmente se fusionan para formar un solo filamento columnar. El resultado suele ser de un 93 a un 95% de carbono. La fibra de menor calidad se puede fabricar con brea o rayón.como precursor en lugar de PAN. El carbono puede mejorarse aún más, como carbono de alto módulo o de alta resistencia, mediante procesos de tratamiento térmico. El carbón calentado en el rango de 1500-2000 ° C (carbonización) exhibe la mayor resistencia a la tracción (5650 MPa o 820,000 psi ), mientras que la fibra de carbono calentada de 2500 a 3000 ° C (grafitización) exhibe un módulo de elasticidad más alto (531 GPa , o 77.000.000 psi).
Ver también [ editar ]
- Fibra de basalto
- Polímero reforzado con fibra de carbono
- Material cerámico reforzado con fibra de carbono
- Nanotubo de carbono
- Materiales ESD
- Grafeno
Referencias [ editar ]
- ^ a b c Bhatt, Pooja; Goe, Alka (25 de junio de 2017). "Fibras de carbono: producción, propiedades y uso potencial" . Investigación en ciencia de materiales de la India . 14 (1): 52–57.
- ^ Deng, Yuliang (2007). Interconexiones electrónicas de fibra de carbono (PDF) (Tesis). Archivado (PDF) desde el original el 4 de abril de 2019 . Consultado el 2 de marzo de 2017 .
- ^ "Fibras de carbono de alto rendimiento" . Monumentos históricos nacionales de productos químicos . Sociedad Química Americana. 2003. Archivado desde el original el 27 de abril de 2014 . Consultado el 26 de abril de 2014 .
- ^ "Los hombres dotados que trabajaron para Edison" . Servicio de Parques Nacionales. Archivado desde el original el 7 de febrero de 2015 . Consultado el 1 de diciembre de 2014 .
- ^ US 2957756 , Bacon, Roger, "Grafito filamentario y método para producir el mismo", publicado el 25 de octubre de 1960
- ^ "Puntos de apoyo" . Vuelo internacional : 481. 1968-09-26. Archivado desde el original el 14 de agosto de 2014 . Consultado el 14 de agosto de 2014 , a través de Flight Global Archive.
- ^ "Rolls-Royce - Guía de gracias" . www.gracesguide.co.uk . Consultado el 22 de septiembre de 2020 .
- ^ US 4915926 , Lahijani, Jacob, "Fibras de carbono de módulo ultra alto equilibrado y alta resistencia a la tracción", publicado el 10 de abril de 1990
- ^ a b Cantwell, WJ; Morton, J. (1991). "La resistencia al impacto de los materiales compuestos - una revisión". Composites . 22 (5): 347–362. doi : 10.1016 / 0010-4361 (91) 90549-V .
- ^ Das, Sujit; Warren, Josh; West, Devin (mayo de 2016). "Análisis de competitividad de la cadena de suministro de compuestos de fibra de carbono global" (PDF) . Centro de Análisis de Fabricación de Energía Limpia. Archivado (PDF) desde el original el 29 de marzo de 2017 . Consultado el 24 de mayo de 2017 .
- ^ "Informe de mercado: mercado mundial de compuestos de fibra de carbono" . Acmite Market Intelligence. Mayo de 2016. Archivado desde el original el 2 de septiembre de 2011.
- ^ Hillermeier, Roman W .; Hasson, Tareq; Friedrich, Lars; Bola, Cedric (2013). "Tecnología avanzada de matriz de resina termoendurecible para la fabricación de alto volumen de próxima generación de estructuras compuestas de automoción" (PDF) . Serie de documentos técnicos SAE . 1 . Documento técnico SAE. doi : 10.4271 / 2013-01-1176 . Archivado desde el original (PDF) el 21 de septiembre de 2015.
- ^ Bregar, Bill (5 de agosto de 2014). "Precio que impide la adopción masiva de fibra de carbono - Plastics News" . Noticias de plásticos . Atlanta: Crain Communications, Inc. Archivado desde el original el 9 de diciembre de 2016 . Consultado el 25 de mayo de 2017 .
- ^ Zhao, Z .; Gou, J. (2009). "Retardancia al fuego mejorada de compuestos termoendurecibles modificados con nanofibras de carbono" . Sci. Technol. Adv. Mater . 10 (1): 015005. Código Bibliográfico : 2009STAdM..10a5005Z . doi : 10.1088 / 1468-6996 / 10/1/015005 . PMC 5109595 . PMID 27877268 .
- ^ Banis, David; Marceau, J. Arthur; Mohaghegh, Michael (julio de 1999). "Diseño para la corrosión" . Aero . No. 7. Boeing. Archivado desde el original el 2 de septiembre de 2013 . Consultado el 7 de mayo de 2018 .
- ^ Warwick, Graham; Norris, Guy (6 de mayo de 2013). "Los metálicos vuelven con los avances en la fabricación" . Semana de la aviación y tecnología espacial . Archivado desde el original el 27 de abril de 2015.
- ^ Notani, Mohammad Ali; Arabzadeh, Ali; Ceylan, Halil; Kim, Sunghwan (junio de 2019). "Efecto de las propiedades de la fibra de carbono en el calentamiento óhmico y volumétrico del hormigón asfáltico eléctricamente conductor". Revista de Materiales en Ingeniería Civil . NOSOTROS. 31 (9): 04019200. doi : 10.1061 / (ASCE) MT.1943-5533.0002868 .
- ↑ Arabzadeh, Ali; Notani, Mohammad Ali; Zadeh, Ayoub Kazemiyan; Nahvi, Ali; Sassani, Alireza; Ceylan, Halil (15 de septiembre de 2019). "Hormigón asfáltico eléctricamente conductor: una alternativa para automatizar las operaciones de mantenimiento invernal de la infraestructura de transporte". Compuestos Parte B: Ingeniería . NOSOTROS. 173 : 106985. doi : 10.1016 / j.compositesb.2019.106985 .
- ^ Pike, Carolyn M .; Grabner, Chad P .; Harkins, Amy B. (4 de mayo de 2009). "Fabricación de electrodos amperométricos" . Revista de experimentos visualizados (27): 1040. doi : 10.3791 / 1040 . PMC 2762914 . PMID 19415069 .
- ^ "¿Cómo se fabrica la fibra de carbono?" . Zoltek. 2017-08-10. Archivado desde el original el 19 de marzo de 2015.
Enlaces externos [ editar ]
 | Wikimedia Commons tiene medios relacionados con las fibras de carbono . |
- Fibra de carbono (tecnología) en la Encyclopædia Britannica
- Fabricación de fibra de carbono
- ¿Cómo se fabrica la fibra de carbono?
- [ http://www.flightglobal.com/pdfarchive/view/1971/1971%20-%201784.html Fibras de carbono: los primeros 5 años desnudos
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